基于上转换纳米颗粒的荧光生物传感器的关键技术研究

Fluorescence biosensor is a kind of biological detection technology using for Identification, reading and processing based on fluorescence signal. It has the advantages of fast detection speed, high precision and repeatable use. In this application, a portable fluorescent biosensor based on the upconversion fluorescent nanoparticles is proposed for the detection of basic organic molecules or biological tissues. Upconversion fluorescent nanocrystals with uniform size, high fluorescence intensity and controlled surface thickness of oleic acid coating are prepared; upconversion nanocrystals film is laid on a flexible substrate, the effect of the key parameters such as the thickness of film, the density of film, the porosity of film and film coating process on the fluorescence signal is studied; a porous protective layer is covered on the top of the nano crystal, the influence of the thickness and the gap of the protective layer, and the bonding surface characteristics of nanocrystals on the fluorescence signal is revealed. The research results of this project can provide the experimental reference and theoretical guidance for the development of the fluorescence biosensor based on the upconversion nanocrystals.

荧光生物传感器是一类基于荧光信号的识别、读取和处理的生物检测技术，具有检测速度快、精度高及可重复使用等优势。在本申请项目中，拟基于上转换荧光纳米颗粒制备便携式荧光生物传感器，用于检测碱性有机分子或生物组织。制备尺寸均一，荧光强度高，表面油酸包覆层厚度可控上转换荧光纳米晶；在柔性基底上铺设上转换纳米晶薄膜，研究薄膜厚度、密度、孔隙率及铺膜工艺等关键参数对荧光信号的影响；在上转换纳米晶上面覆盖多孔保护层，研究保护层厚度，空隙及与纳米晶的接合面特性对荧光信号的影响参数。该项目的研究成果可为开发基于上转换纳米晶的荧光生物传感器提供实验参考和理论指导。

传统荧光生物传感器由于存在检测能力不强、稳定性差、灵敏度不够高、组织穿透能力浅、存在荧光背景等问题，使得生物传感器的推广、使用受到极大的限制。本项目基于尺寸、形貌、发光可控的稀土掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）构建了新型荧光生物传感器，提供了具有组织穿透深度深、生物光损伤小、化学稳定性好等一系列独特优点的生物传感构建模型，具有较重要的科学和应用价值。利用银纳米环、UCNPs和银膜组成的具有超高吸收的多层超材料体系，显著提高上转换发光，推导了上转换增强因子并考虑了结构参数和局域场UCNPs耦合对增强银子的影响，得出了一种超材料体系为生物传感器等提供一种新指导；利用荧光和磁性双功能UCNPs，通过稀土离子掺杂浓度，调控了纳米颗粒形貌、尺寸、发光性能和磁性，结合荧光共振能量传递原理，观测了虾类体外和体内生物成像，带有酸性/PEG杂化配体的上转换纳米探针能快速捕获虾类细胞中的碱性罗丹明B并检测虾类中残留的有机染料；利用UCNPs独特光学性质，发现了上转换纳米颗粒阵列可以作为一种高灵敏度、可重复使用和稳定的检测糖化血红蛋白传感器，基于发光共振能量转移和阵列的消光效应，发现UCNPs阵列对血红蛋白浓度变化的敏感性远高于直接检测；基于NaGdF4:Yb3+，Er3+@NaYF4核/壳上转换纳米粒子生物探针，发现其绿光与红光发射带强度比对血液中的阿霉素极其敏感，另外没有纳米颗粒泄漏到活体中的优点，从而克服了荧光共振能量转移方法的固有缺陷(难以从血管中去除上转换纳米颗粒)，得出该探针设计和结果可为阿霉素的实时高效检测提供一定的指导；该项目的研究成果对于UCNPs在生物传感方面的关键技术研究（灵敏度、稳定性、组织穿透深度、生物光损伤、荧光背景、安全性等）具有较重要的指导意义。同时该项目的研究成果在超灵敏光学传感器、红外探测、防伪、温度传感器等领域有相当好的应用前景，对于推动相关领域的基础理论研究的进步和产业化发展具有一定的参考价值。